Оптические методы и приборы контроля подложек лазерных зеркал

Цельмина, Ирина Юрьевна

Оптические методы и приборы контроля подложек лазерных зеркал тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Цельмина, Ирина Юрьевна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Оптические методы и приборы контроля подложек лазерных зеркал»

Автореферат диссертации на тему "Оптические методы и приборы контроля подложек лазерных зеркал"

На правах ружшиа

Цельмина Ирина Юрьевна

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ПОДЛОЖЕК ЛАЗЕРНЫХ ЗЕРКАЛ

01.04.05-Оптика

7 НОЯ 21)13

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

005537265

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Всероссийский научно - исследовательский институт оптико-физических измерений" (ФГУП "ВНИИОФИ")

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вишняков Геннадий Николаевич

доктор технических наук, Булыгин Федор Владиленович

кандидат физико-математических наук,

доцент

Азарова Валентина Васильевна

Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН (ИАиЭ СО РАН)

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится « » // 2013 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д308.006.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений по адресу: 119361, г. Москва, ул. Озерная, д. 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП "ВНИИОФИ".

Автореферат разослан «_»_2013 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Г.Г. Левин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Лазерные зеркала широко распространенный оптический элемент, к которому предъявляются высокие требования. От оптических характеристик лазерных зеркал зависит добротность квантовых генераторов.

Современные лазерные зеркала имеют коэффициент отражения на уровне 99,98%. Достижение таких параметров лазерных зеркал диктует высокие технические требования к подложкам этих зеркал. Подложки должны обладать супергладкой рабочей поверхностью, шероховатость которой порядка 1 А. При этом отклонение поверхности подложки от заданной формы (плоскости или сферы с большим радиусом кривизны от 2 м и более) не должна превышать половины длины волны лазера. Другими важными параметрами подложек лазерных зеркал являются величина отклонения центра кривизны подложки от ее геометрического центра, так называемая «децентровка», оптическая чистота полированной поверхности подложек.

Таким образом, подложки лазерных зеркал являются специфическими оптическими изделиями, которые должны обладать уникальными оптическими характеристиками. Для достижения таких характеристик требуется разработка комплекса специальных средств измерений, которые будут использоваться при отработке технологии изготовления, промышленном производстве и контроле качества подложек лазерных зеркал. Эти средства измерений основаны на интерферометрии и оптической микроскопии.

В настоящее время для целей контроля оптики используются импортные приборы, дорогостоящие и сложные в обращении. Массовое производство лазерных зеркал требует разработки отечественных средств измерений, позволяющих в процессе их производства контролировать геометрические.параметры с высокой точностью и минимальными затратами времени и средств.

Таким образом, в настоящей работе решается актуальная задача разработки, исследования отечественного измерительного оборудования для комплексного контроля параметров подложек лазерных зеркал.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка методов комплексного оптического контроля параметров подложек лазерных зеркал и создание ряда приборов для совершенствования технологии их изготовления.

Линейка оптических приборов включает следующие измерительные приборы:

- интерференционный микроскоп для контроля параметров шероховатости подложек лазерных зеркал (далее просто подложек);

- интерферометр для измерения радиуса кривизны и децентровки подложек;

- оптический микроскоп для контроля качества рабочей поверхности подложек.

Основные задачи исследования

Цель предопределила основные задачи, решаемые в диссертационной работе:

1. Анализ существующих оптических методов измерения шероховатости в нанометровом диапазоне.

2. Разработка и создание автоматизированного интерференционного микроскопа для измерения шероховатости в нанометровом диапазоне.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование метрологических характеристик автоматизированного интерференционного микроскопа.

4. Анализ существующих интерференционных методов измерения формы отражающих поверхностей.

5. Разработка и создание автоматизированного интерференционного профилометра для измерения формы поверхности подложек.

6. Разработка алгоритма и программного обеспечения для измерения радиуса кривизны и децентровки поверхности подложек лазерных зеркал.

7. Разработка метода компенсации отклонений от сферичности с целью повышения чувствительности лазерного гироскопа.

8. Анализ существующих методов измерения оптической чистоты поверхности.

9. Разработка и создание автоматизированного микроскопа для измерения оптической чистоты поверхности подложек.

10. Модернизация темнопольного микроскопа для реализации многоракурсной системы освещения объекта.

11. Применение разработанного комплекса оптических приборов для совершенствования технологии изготовления супергладких поверхностей.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. На основе численного моделирования метода фазовых шагов доказано, что при реконструкции изображений плоскости для уменьшения средне-квадратического отклонения (СКО) от плоскости до 0.24 нм в диапазоне 100 градаций и до 0.11 нм в диапазоне 235 градаций яркости интерферограмм необходимо проводить совместное усреднение по 10-ти интерферограммам и 10-ти фазовым изображениям.

2. Предложена и реализована оптическая система изменения оптической длины опорного канала автоматизированного интерференционного микроскопа, при которой достигается продольное разрешение микроскопа порядка 0.1 нм методом фазовых шагов.

3. Создан отечественный автоматизированный интерференционный микроскоп МИА -1М, который позволяет измерять параметр шероховатой поверхности с СКО не более 0.25 нм.

4. Разработан и создан автоматизированный интерферометр ПИК-ЗОМ с вертикальной компоновкой оптических элементов, который позволяет проводить измерения профиля поверхности подложек с неопределенностью, не превышающей 1/150 длины волны используемого излучения.

Практическая ценность и использование результатов работы

Разработанные методы комплексного оптического контроля параметров подложек лазерных зеркал и созданная линейка приборов использованы для отработки технологий многодетальной полировки подложек зеркал лазерных гироскопов на приборостроительном заводе ОАО «РПЗ».

Разработанный в рамках выполненной работы метод измерения параметров нанометровой шероховатости и созданный на его основе программно-аппаратный комплекс реализованы в микроскопе интерференционном автоматизированном МИА - 1М. Впервые получена возможность исследования на отечественном приборе супергладкой поверхности с разрешением по глубине не хуже 0.25 нм. Данное средство измерения прошло государственные испытания и зарегистрировано под номером №48171-11 в Государственном реестре средств измерений.

Разработанный метод измерения кривизны поверхности и ее децентровки и созданный на его основе программно — аппаратный комплекс реализованы в профилометре интерференционном компьютерном ПИК — 30. Данное средство измерения прошло государственные испытания и зарегистрировано под номером №30003-08 в Государственном реестре средств измерений.

Вклад автора

1. При непосредственном участии автора разработаны метод измерений параметров наношероховатости и фазосдвигающее устройство его реализующее.

2. При непосредственном участии автора создан программно-аппаратный комплекс для измерений формы и децентровки поверхности и разработана методика измерений.

3. При участии автора создан программно-аппаратный комплекс измерения чистоты оптической поверхности и спроектирована многоракурсная система освещения для темнопольного объектива.

4. Автором разработана технология изготовления подложек лазерных зеркал и проведены сравнительные исследования супергладких поверхностей.

5. Автором разработан метод компенсации отклонений от сферичности с целью повышения чувствительности лазерного гироскопа.

Апробация работы

Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», ВНИИОФИ, 2008 г.; «Голография в России и за рубежом. Наука и практика», 2008 г., 2009 г.; «ГОЛОЭКСПО. Голография, наука и практика», 2011 г., 2012 г., 2013 г. Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 статьи в издании «Оптический журнал», 1 статья в журнале «Оптика спектроскопия», 1 статья в журнале «Измерительная техника», 1 статья в журнале «Метрология», 1 статья в журнале «Мир голографии», и 4 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста; состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа иллюстрирована 74 рисунками, 15 таблицами. Список литературы включает в себя 62 источника информации.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Проведенное математическое моделирование процесса реконструкции фазовых изображений на автоматизированном интерференционном микроскопе МИА-1М показало, что для уменьшения среднеквадратического отклонения от плоскости до величины 0,1 нм достаточно проводить усреднение по 10-ти интерферограммам и 10-ти фазовым изображениям и учитывать вклад шероховатости опорного и эталонного зеркал.

2. Для изменения оптической длины опорного канала интерференционного микроскопа МИА-1М при реализации метода фазовых шагов необходимо смещать жестко связанные зеркало и микрообъектив, что позволяет достичь разрешение по глубине не хуже 0,25 нм при исследовании супергладкой поверхности.

3. Схема интерферометра Майкельсона с вертикальной компоновкой оптических элементов и вращающимся диффузором позволяет уменьшить вибрационные и когерентные шумы и проводить измерения отклонений от плоскости и от сферической поверхности с радиусами кривизны от 2000 мм и более со среднеквадратической погрешностью 5 нм.

4. Использование темнопольного объектива с коммутирующей группой светодиодов «белого» света дает возможность повысить информативность и контрастность изображений микродефектов на прозрачных подложках зеркал для их автоматического подсчета.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность проблемы, цель работы и определены основные научно-технические задачи, решаемые в диссертации.

В первой главе представлен обзор современных методов и средств измерения оптических характеристик подложек лазерных зеркал, указаны их достоинства и недостатки.

Во второй главе описаны разработанные метод и автоматизированный интерференционный микроскоп для измерения параметров субнанометровой шероховатости подложек лазерных зеркал.

Микроскоп создан на базе серийно выпускаемого микроинтерферометра МИИ-4М (JIOMO, Санкт-Петербург), построенного по схеме академика В.П. Линника. Автоматизированная расшифровка интерферограмм производится по методу дискретного фазового сдвига, вносимого оптическим узлом опорного канала с помощью пьезопривода. В результате обработки интерферограмм восстанавливается оптическая разность хода, соответствующая измеряемому профилю поверхности.

Для расшифровки интерферограмм реализован 9-ти шаговый алгоритм Харихарана-Швайдера, который устойчив к «раскалибровке» фазосдвигающего устройства, а также хорошо подавляет артефакты в виде второй гармоники. Программное обеспечение WinPhast, входящее в состав микроскопа, позволяет управлять захватом кадров, сдвигом опорного зеркала, а также реконструировать поверхность по методу фазовых шагов. Для уменьшения шумов программой предусмотрено усреднение интерферограмм и реконструированных фазовых изображений.

Для обеспечения возможности измерения микрорельефа субнанометро-вого диапазона в диссертационной работе путем математического моделирования проведена оценка предельных возможностей самого микроскопа и его программного обеспечения и определены пути уменьшения собственных шумов до 0.1hm.

Для моделирования использовались синтезированные на компьютере ин-терферограммы идеальной плоскости в полосах конечной ширины с различным фазовым сдвигом. Размер изображения - 1392x1040 пикселей.

На основе результатов численного моделирования были сделаны следующие выводы:

1. Минимальное возможное значение СКО от плоскости, которое обеспечивает алгоритм Харихарана-Швайдера для идеальных (синтезированных) ин-

терферограмм с динамическим диапазоном 235 градаций, без шума и с точно заданными сдвигами равными к/2, составляет 0.099 нм.

2. При уменьшении динамического диапазона до 100 градаций СКО

увеличивается до 0.23 нм.

3. Добавление шума с линейно возрастающей дисперсией приводит к увеличению СКО до 0.80 нм для диапазона 100 градаций и до 0.34 нм для диапазона 235 градаций.

4. Усреднение по возрастающему числу интерферограмм от 2 до 20 приводит к уменьшению СКО: от 0.60 нм до 0.30 нм для диапазона 100 градаций и от 0.25 нм до 0.13 нм для диапазона 235 градаций.

5. Усреднение по возрастающему числу фазовых изображений от 2 до 20 приводит к уменьшению СКО: от 0.59 нм до 0.33 нм для диапазона 100 градаций и от 0.25нм до 0.18 нм для диапазона 235 градаций.

6. Усреднение по возрастающему числу интерферограмм от 5 до 15 при совместном усреднении с 10 фазовыми изображениями приводит к незначительному уменьшению СКО: от 0.28 нм до 0.24 нм для диапазона 100 градаций и от 0.12 нм до 0.11 нм для диапазона 235 градаций.

7. Неэквидистантность шагов проявляется в появлении на фазовых изображениях артефактов в виде системы полос, удвоенной по сравнению к исходным интерферограммам частоты, и увеличении СКО.

8. Изменение амплитуды интерферограмм по линейному закону ведет к появлению на фазовых изображениях артефактов в виде системы полос той же частоты, что и исходные интерферограммы, и увеличению СКО.

Далее во второй главе проведено исследование влияния аппаратной части микроскопа на точность измерения микрорельефа в субнанометровом диапазоне.

Ранее для изменения оптической разности хода (ОРХ) между опорным и объектным пучками интерференционного микроскопа использовалось смещение только опорного зеркала, расположенного перед микрообъективом. Это приводит к небольшой дефокусировке изображения зеркала опорного канала и изме-

нению контраста полос, что увеличивает ошибку реконструкции, которая становится заметной при субнанометровых значениях СКО.

На рисунке 1а представлена оптическая схема опорного канала микроинтерферометра без светоделителя. Зеркало 1 находится в передней фокальной плоскости микрообъектива 2. Увеличенное изображение зеркала 1 формируется в задней фокальной плоскости 4 объектива 3. В этой же плоскости 4 располагается регистратор изображения - ПЗС-матрица. При сдвиге зеркала 1 вдоль оптической оси относительно микрообъектива 2 происходит смещение плоскости его изображения 5 относительно неподвижной плоскости регистратора 4 (рис. 16).

Это ведет к дефокусировке изображения опорного зеркала 1В результате дефекты (царапины, пылинки) и сам микрорельеф зеркала будут по-разному выглядеть в плоскости регистратора. Для устранения этого эффекта в настоящей работе предложено сдвигать не одно зеркало 1, а весь узел - микрообъектив 2 и зеркало 1 (рис. 1в). Конструктивно в микроинтерферометре этот узел выпол-

Рисунок 1. Оптическая схема опорного канала нен в виде единой сборки, уста-микроинтерферометров:

1 - зеркало опорного канала; 2 - микрообъектив; 3 новленной на пьезоэлемент. Зер-- объектив; 4 - плоскость регистратора (ПЗС-матрица); 5 - плоскость фокусировки.

а) первоначальное состояние;

б) после сдвига зеркала 1;

в) после сдвига зеркала 1 и микрообъекгива 2.

капо 1 остается всегда в передней фокальной плоскости микрообъектива 2, поэтому его ;изображе-

ние не меняется.

Далее исследовано влияние опорного зеркала на точность измерения микрорельефа в субнанометровом диапазоне.

В микроскопе на регистраторе интерферируют два волновых фронта, отражённых от объекта и опорного зеркала. Следовательно, в измеренный микрорельеф поверхности, объекта дает вклад и шероховатость опорного зеркала: ^0б(х,у) = 20б(х,у)-г0„(х,у), (1)

где гоб(х,у) - профиль поверхности объекта, гоп(х,у) - профиль поверхности опорного зеркала. Таким образом, вместо истинного профиля гоб(х,у) поверхности объекта восстанавливается разностная картина (1), в которую входит профиль поверхности опорного зеркала гоп(х,у).

Дефекты и шероховатость поверхности опорного зеркала вносят систематические погрешности в определение относительной высоты профиля поверхности объекта. Дисперсия суммы или разности двух случайных функций равна сумме дисперсий этих функций, поэтому из (1) следует:

а\А= + (2)

Для уменьшения влияния опорного зеркала на результат измерения параметров шероховатости объекта штатное опорное зеркало микроинтерферометра МИИ-4М было заменено на новое «супергладкое» зеркало. Параметр шероховатости этого зеркала составил 0.16 нм, а а(гоП)=0.2 нм.

Следовательно, при измерении параметров шероховатости гладких поверхностей надо знать аналогичные параметры опорного зеркала и определение а(г,об) поверхности объекта необходимо проводить по формуле:

= 4<т\Ь2о6)-<т\2т) . (3)

Для повышения точности измерений параметров шероховатости объекта и уменьшения аберраций микроскопа вначале измеряется профиль супергладкого эталонного зеркала:

Л^эг О. у) = 2эт (х, .у) - (х, у), (4)

где гэт(рс,у) - профиль поверхности эталонного зеркала, г'^у)- профиль поверхности опорного зеркала, который несколько отличается от гоп(х,у) в (1), т.к. это другая реализация случайной функции.

Предлагаемая методика устранения аберраций заключается в вычитании из фазового изображения объекта изображения эталонного зеркала:

Az(x, у) = Az^ (х,у) - &z3T(х,у). (5)

Отсюда дисперсия полученного фазового изображения будет равна

a2 (Aг) = ст2(Дг*) + a\Az3T) = ст2(0 + 2 a\zj + a\z3T). (6)

Здесь предполагается, что c-2{zm) = cr2(z'm).

Следовательно, при использовании эталонного супергладкого зеркала для устранения аберраций оптической системы микроскопа в СКО профиля измеренной поверхности вносят вклад и шероховатость опорного зеркала, причем с коэффициентом 2, и шероховатость эталонного зеркала.

Таким образом, если при исследовании гладкой поверхности необходимо использовать предложенную методику с записью фазового изображения эталонного зеркала, то измерение параметров шероховатости необходимо проводить по формуле:

«КО = Jcr2№-2ar\zm)-cr2(z3T) (7)

с последующим переходом от дисперсии к Ra, Rz по известным соотношениям.

Микропрофиль поверхности можно представить в виде высокочастотной (шероховатость) и низкочастотной (волнистость) компонент. Для разделения ВЧ - и НЧ - составляющих профиля используется пространственная частотная фильтрация с цифровым фильтром Гаусса, описанным в международном стандарте ISO 16610-21-2011. Важным аспектом фильтрации является правильный выбор длины волны среза Хс, которая определяется как величина, при которой пропускание фильтра равно 50% его максимального значения.

В настоящей работе предложен следующий критерий выбора Хс. Производится фильтрация исходного профиля поверхности с различными значениями А,с. Далее вычисляется первая и вторая производные от полученных профилей и находится максимальное значение этих производных на всей области задания профиля. На рисунке 2 приведен пример обработки реального профиля поверхности с длиной волной среза Хс=200.

! \ !

/ / * / * ;

/ 7\ / / / /

/ ✓ 1 К \

Ф-Ф-» МИА-1М

2 4 б 8 10 12

Номер подложки

Рисунок 2 -Результат цифровой обработки Рисунок 3 - Сравнительные результаты измерения реального профиля поверхности СКО плоских подложек с различной шероховатостью

поверхности

Для проверю! правильности полученных выводов и рекомендаций по работе автоматизированного микроскопа и процедуры обработки данных с целью вычисления параметров шероховатости были проведены следующие измерения. В ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» были изготовлены 11 подложек лазерных зеркал и там же на сканирующем интерференционном микроскопе белого света №\уУ1е\у 6200 были измерены их параметры шероховатости. Затем эти же подложки были измерены на автоматизированном микроскопе МИА-1М по разработанной методике.

Полученные сравнительные измерения СКО шероховатой поверхности подложек зеркал от идеальной плоскости представлены на рисунке 3.

Из графика следует, что МИА-1М регистрирует увеличение значения параметра шероховатости начиная с 5-ой подложки, для которой СКО составляет около 0.25 нм.

Наибольшие различия в измерениях относятся к подложкам с малым параметром шероховатости. Возможная причина этих отклонений - собственный фазовый шум микроскопа на уровне 0.1 нм, а также низкий контраст интерференционных полос для этих подложек.

Выводы: 1. Проведенное математическое моделирование процесса реконструкции фазовых изображений на автоматизированном интерференционном микроскопе МИА-1М показало, что совместное усреднение по 10-ти интерферо-

граммам и 10-ти фазовым изображениям ведет к уменьшению СКО от идеальной плоскости до величины 0,1 нм.

2. Разработанная схема интерференционного микроскопа с модернизированным узлом опорного канала, а также учет вклада шероховатости опорного и эталонного зеркал позволяет исследовать супергладкие поверхности с разрешением по глубине не хуже 0,25 нм.

Следующим основным параметром, предъявляемым к подложкам лазерных зеркал, является радиус кривизны оптической поверхности и ее децентров-ка.

Поэтому в третьей главе представлен разработанный метод и интерферометр для измерения радиуса кривизны и децентровки поверхности подложек.

Выбрана схема интерферометра Майкельсона с механическим фазовым сдвигом для автоматической расшифровки интерферограмм. Оптическая схема созданного прибора представлена на рисунке 4.

Вертикальная компоновка оптических элементов, аналогичная голографи-ческим установкам типа УГМ, обеспечивает существенную защиту интерферометра от вибраций. В схему добавлено также устройство разрушения пространственной когерентности (вращающееся матовое стекло 3) для исключения спек-

Рисунок 4 - Оптическая схема профилометра интерференционного компьютерного ПИК -30М. 1- Не-№ лазер; 2, 4 - поворотные призмы; 3 - диффузор; 5, 6 - коллиматор; 7 - све-тоделительный клин; 8 - измеряемый объект; 9 - поворотное зеркало; 10 - светофильтр; 11 -объектив; 12 - ПЗС - камера, 13 - пьезозеркало.

лов из интерференционной картины. На интерферометре могут исследоваться сферические поверхности с большими радиусами кривизны, превышающими несколько метров. В этом случае эталонной поверхностью может служить плоское зеркало.

Расшифровка интерферограмм производится методом фазовых шагов. В результате восстанавливается двумерная карта относительной высоты поверхности (топограмма). Измеренная топограмма поверхности подложки лазерного зеркала аппроксимируется сферической поверхностью по методу минимизации среднего квадратического отклонения. У полученной сферической поверхности вычисляются радиус и центр кривизны, в качестве которого принимается точка с максимальным (минимальным) значением высоты. По видеоизображению подложки лазерного зеркала находятся координаты геометрического центра подложки. «Децентровка» определяется как расстояние между геометрическим центром подложки лазерного зеркала и центром кривизны его сферической поверхности.

Дополнительно вычисляются предельное и среднеквадратическое отклонения измеренной топограммы от сферической поверхности. Предел допускаемой абсолютной погрешности измерений радиуса кривизны - 50 мм; а предел допускаемой абсолютной погрешности измерений децентровки - 0,05 мм. Диапазон измерений радиуса кривизны - от 2000 до 7000 мм. Диапазон измерений децентровки - от 0,1 до 5,0 мм.

На рисунке 5 приведен пример топограммы поверхности сферического зеркала и его центральные сечения.

Созданный прибор позволил разработать методику компенсации отклонений поверхности зеркал от заданного радиуса при их установке в резонатор гироскопа.

Суть методики заключается в подборе пары зеркал с одинаковыми по величине, но противоположными по знаку зональными волновыми аберрациями. В результате компенсируются аберрации, что ведет к уменьшению случайной составляющей дрейфа гироскопа.

Центральные сечем и профиля поверхности

шт

га

-3-2-10 1 2 3 4

Ргстчс сферы 2084 ми. Пецвнгроека сфер« 153 мкм, СКО от сферы: 0.012 мг.м

а б

Рисунок 5 - а - аксонометрическое изображение профиля поверхности сферического зеркала в псевдоцветах; б- центральные сечения

Таким образом, разработанная схема интерферометра Майкельсона с вертикальной компоновкой оптических элементов и вращающимся диффузором позволяет уменьшить вибрационные и когерентные шумы и проводить измерения отклонений от плоскости с погрешностью, не превышающей 1/150 длины волны используемого излучения.

Важным параметром полированной поверхности подложек лазерных зеркал является также ее оптическая чистота. Поэтому в четвертой главе представлен разработанный метод и микроскоп для автоматических измерений параметров оптической чистоты по ГОСТ 11141-84.

Существующие темнопольные микрообъективы создают изображения с достаточно светлым фоном и, соответственно, малой контрастностью, что не позволяет обнаружить все имеющиеся дефекты на полированной поверхности с коэффициентом отражения не более 4%. Поэтому возникла необходимость в создании микрообъектива, позволяющего увеличить вероятность обнаружения дефектов на поверхности полированных подложек. В настоящей работе предложена и реализована новая схема многоракурсного освещения через штатный темнополь-ный микрообъектив металлографического микроскопа МЕТАМ-4М. Вместо лампы в качестве источника света используются малогабаритные светодиоды белого света, объединенные в 4-е группы по 3 штуки в каждой. Светодиоды расположе-

ны по кругу внутри корпуса штатного темнопольного микрообъектива перед отражателем параболического конденсора. Каждая из групп светодиодов коммутируется отдельно при помощи блока переключения режима освещения и создает световые потоки, направленные под углом 90 градусов друг к другу. Освещение поверхности подложки под различными углами позволяет повысить контраст изображений тех дефектов, которые перпендикулярны направлению освещения. В конечном счете, все это позволяет повысить вероятность обнаружения мелких дефектов на прозрачных поверхностях.

Прибор оборудован ПЗС-камерой, двухкоординатным столом с шаговыми двигателями. Полученные изображения обрабатывается с помощью разработанной программы, автоматически реализующей алгоритм подсчета числа и размеров дефектов по ГОСТ 11141-85.

Таким образом, для повышения вероятности обнаружения микродефектов на прозрачных полированных поверхностях необходимо использовать темно-польный объектив с коммутирующей группой светодиодов «белого» света.

На основании разработанных в данной работе методов и средств измерений была разработана новая технология тонкой полировки оптических плоских и сферических поверхностей с субнанометровой шероховатостью, описанная в пятой главе.

Анализ существующих технологий показал, что в настоящее время широко используются полировки оптических деталей на смоле и на полиуретане. Благодаря таким параметрам и свойствам смолы, как вязкость, температура размягчения, коэффициент трения, липкость и т.п., достигнуты высокая точность формирования формы и шероховатости поверхности (<1 нм). Полировка на полиуретане дает намного более высокую величину съема материала, чем на смоляном полировальнике. Полиуретан, благодаря своей структуре, не способствует осаждению гидратируемого слоя. Однако шероховатость поверхности Яа составляет = 1 нм, что недостаточно для современных требований к оптическим деталям.

Отличительная особенность предложенной методики заключается в совмещении двух технологий обработки, что дает наилучший результат по качеству поверхности оптической детали. В разработанной методике используется свойство полиуретана не создавать гидратируемый слой, а также возможность достижения наименьшей шероховатости с помощью полировки на смоле.

Суть технологии заключается в поэтапной полировке деталей на различных типах полировальников:

- предварительная на полиуретане ЬР;

- окончательная на смоле.

Для отработки технологии проведено большое количество экспериментов с подбором режимов обработки и климатических условий для каждого вида полировальника с последующими контролем и измерениями на разработанных оптических приборах. Сравнительные результаты обработки пластин с использованием различных материалов, представленные в таблице.

№п/п Используемый материал инструмента на предварительной полировке Параметры шероховатости, нм Диапазон изменения параметров шероховатости деталей на одном плане (50шт), нм

РУ СКО

Д(РУ) Д(СКО)

1 Полиуретан 1 + смола 1,88 0,128 0,397 0,06 0,06 0,03

2 Полиуретан 2 + смола 1.68 0.25 0.272 0.27 0.05 0.065

3 Полиуретан 3 + смола 1,527 0,2 0,252 0,41 0,05 0,06

4 Смола 2,625 0,488 0,604 0,68 0,06 0,09

Из приведенных данных следует, что благодаря своей структуре и свойствам полиуретан способствует более равномерному формированию оптического слоя поверхности пластин с наименьшей величиной шероховатости.

Распределение основного параметра шероховатости РУ для всех 50-ти пластин с одного плана представлено на рисунке 6.

Из рисунка 6 видно, что разброс величин шероховатости РУ пластин, обработанных на смоле, гораздо больше по сравнению с разбросом этой величины на деталях, которые обрабатывались с применением полиуретана. Разработанная технология внедрена на ОАО «РПЗ».

Таким образом, комплексный оптический контроль параметров подложек лазерных зеркал позволил разработать и реализовать на практике метод тонкой доводки оптической поверхности путем последовательного применения поли-уретановых и смоляных полировальников и получить подложки с субнаномет-ровой шероховатостью и заданными радиусом кривизны и децентровкой.

ф смола

■ с применением полиуретана №3

40 50

Номер пластины

Рисунок 6 - Разброс величины РУ на блоке, обработанном с применением полиуретана №3 и на смоле.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Выполнен анализ существующих интерференционных методов и средств измерения параметра наношероховатости, указаны их достоинства и недостатки.

2. Проведено численное моделирование процесса цифровой обработки фазовых изображений с целью исследования возможности измерения параметров шероховатости субнанометрового диапазона с помощью автоматизированного интерференционного микроскопа Линника с источником белого света. По-

казано, что шумы реконструкции фазовых изображений можно уменьшить до величины 0.1hm.

3. Усовершенствована конструкция опорного канала автоматизированного интерференционного микроскопа, позволяющая одновременно смещать микрообъектив и зеркало на одну и ту же величину, что позволило исключить дефокусировку изображения опорного зеркала.

4. Исследовано влияние качества изготовления оптических элементов автоматизированного интерференционного микроскопа на точность измерения параметра шероховатости, сформулированы требования к изготовлению оптических элементов.

5. Проведены экспериментальные работы и приведены результаты измерения шероховатости субнанометрового диапазона с помощью автоматизированного интерференционного, микроскопа Линника с источником белого света. Показано, что чувствительность разработанного микроскопа по глубине составляет 0.1 нм.

6. Выполнен анализ существующих интеференционных методов измерения формы оптической поверхности и ее децентровки, и средств измерений, указаны их достоинства и недостатки.

7. Разработан автоматизированный интерферометр с вертикальной плитой, позволяющий уменьшить вибрационные и когерентные шумы и проводить измерения отклонений от плоскости с погрешностью, не превышающей 1/150 длины волны используемого излучения.

8. Разработан метод компенсации отклонений от сферичности пары зеркал для повышения чувствительности лазерного гироскопа.

9. Проведен обзор существующих методов и средств измерения параметра «оптическая чистота».

10. Разработан новый темнопольный объектив с коммутирующей группой светодиодов «белого» света, позволяющий обнаружить микродефекты на прозрачных полированных поверхностях

11. Разработаны программные комплексы для вычисления оптической чистоты, параметра шероховатости, кривизны формы поверхности и ее децен-тровки.

12. Проведен анализ существующих методов обработки оптических материалов, исследованы полирующие материалы для прецизионной обработки подложек.

13. На основе разработанных методов и средств измерений разработана, отработана и внедрена технология изготовления супергладких плоских и сферических поверхностей подложек зеркал лазерных гироскопов.

Таким образом, в настоящей работе решена актуальная научно-техническая задача разработки методов и средств комплексного оптического контроля параметров подложек лазерных зеркал, что имеет существенное значение для оптического приборостроения, лазерной техники, оптических навигационных систем и оборонной промышленности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В.Л., Цельмина И.Ю. Автоматизированный интерферометр для контроля плоских и сферических полированных поверхностей // Оптический журнал. - 2013. -№5. - С. 76-82.

2. Вишняков Г.Н., Цельмина И.Ю. Исследование качества оптической поверхности, обработанной полиуретанами оптическими // Оптический журнал. -2012.-№12.-С. 68-71.

3. Вишняков Г.Н., Цельмина И.Ю. Измерение радиуса кривизны и де-центровки подложек лазерных зеркал на компьютерном интерференционном профилометре // Измерительная техника. - 2012. -№8. - С. 37-39.

4. Моисеев Н.Н., Цельмина И.Ю. Измерение параметров шероховатости на интерференционном микроскопе // Метрология. - 2012. -№5. - С. 19-21.

5. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В.Л., Цельмина И.Ю. Интерференционная микроскопия субнаномерового разрешения по глубине. Численное моделирование // Оптика и спектроскопия. - 2013. - Т. 115. - №6. - С.168-174.

6. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В.Л., Цельмина И.Ю. Интерференционная микроскопия субнаномерового разрешения по глубине // Мир голографии. - 2013. -Т 1. -№1. - С.157-159.

7. Вишняков Г.Н., Цельмина И.Ю. Интерференционные измерения геометрических параметров подложек лазерных зеркал // Сборник докладов XVII конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», Москва, март 2008 г., С. 41-43.

8. Вишняков Г.Н., Ломакин А.Г., Цельмина И.Ю. Интерференционный метод контроля геометрических параметров подложек лазерных зеркал // Сборник докладов V научно-практической конференции «Голография в России и за рубежом», Санкт-Петербург, 2008 г., - С. 222-223.

9. Вишняков Г.Н., Левина Э.Ю., Цельмина И.Ю. и др. Применение интерферометра «белого света» для измерения профиля и шероховатости поверхности оптических деталей // Научно-практическая конференция «Голография в России и за рубежом. Наука и практика». - М., 2009. С. 72.

10. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Цельмина И.Ю. Интерферометрия фазовых шагов с модуляцией длины волны лазерного диода // Научно-практическая конференция «Голография в России и за рубежом. Наука и практика». -М., 2011. - С. 205-206.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Цельмина, Ирина Юрьевна, Москва

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

На правах рукописи

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПОДЛОЖЕК ЛАЗЕРНЫХ ЗЕРКАЛ

Специальность 01.04.05 - оптика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор Вишняков Геннадий Николаевич

Москва 2013

Оглавление

Введение...........................................................................................................................4

ГЛАВА 1........................................................................................................................10

ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ..........................................................................10

1.1. Оптические методы измерения параметров шероховатости............................. 10

1.2. Оптические методы измерения радиуса кривизны оптической поверхности. 11

1.3. Оптические методы обнаружения микродефектов поверхностей оптических поверхностей.................................................................................................................13

1.4. Выводы....................................................................................................................14

ГЛАВА 2........................................................................................................................ 15

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

НАНОШЕРОХОВАТОСТИ......................................................................................15

2.1 Микроскоп интерференционный автоматизированный МИА -1М...................15

Оптическая схема МИА - 1.........................................................................................17

2.2.Математическое моделирование процесса реконструкции фазовых изображений на автоматизированном интерференционном микроскопе МИА-1М...................................................................................................................................19

2.3 Модернизация автоматизированного микроскопа Линника для измерения шероховатости супергладких поверхностей..............................................................41

2.4 Измерение параметров шероховатости супергладких поверхностей на автоматизированном интерференционном микроскопе МИА -1М.......................51

2.5. Метрологические испытания автоматизированного интерференционного

микроскопа МИА - 1М................................................................................................68

2.6 Выводы.....................................................................................................................71

ГЛАВА 3........................................................................................................................73

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСА КРИВИЗНЫ

ОПТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ЕЕ ДЕЦЕНТРОВКИ......................................73

3.1 Профилометр интерференционный компьютерный ПИК - 30..........................73

3.2. Метод измерения формы поверхности на профилометре ПИК-30..................83

3.3. Метрологические и технические характеристики ПИК-30...............................87

3.4 Применение интерферометра ПИК - 30 для измерения параметров подложек лазерных зеркал.............................................................................................................89

3.5 Методика компенсации отклонений от сферичности пары зеркал в лазерном четырехзеркальном гироскопе...................................................................................100

3.6 Модернизированный профилометр интерференционный компьютерный ПИК-30М...............................................................................................................................103

3.7 Экспериментальные результаты исследования плоских и сферических

объектов.......................................................................................................................109

3.8. Выводы..................................................................................................................114

ГЛАВА 4......................................................................................................................116

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ПО ПАРАМЕТРУ

«ОПТИЧЕСКАЯ ЧИСТОТА»....................................................................................116

4.1 Анализатор микродефектов поверхности. Описание работы прибора...........116

4.2. Методика измерения дефектов оптической поверхности на анализаторе микродефектов поверхности АМП с использованием программы Оаз18соре 122

4.3. Выводы..................................................................................................................127

ГЛАВА 5......................................................................................................................128

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОДЛОЖЕК ЛАЗЕРНЫХ ЗЕРКАЛ.................................128

5.1. Анализ существующих полирующих материалов...........................................128

5.2. Исследование величины шероховатости оптической поверхности, обработанной различными методами.......................................................................131

5.3. Исследование формы оптической поверхности, обработанной различными методами......................................................................................................................133

5.4. Анализ влияния плотности гидратируемого слоя на оптическую поверхность.................................................................................................................134

5.5. Выводы..................................................................................................................135

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................139

Введение

Актуальность темы

В настоящее время для целей контроля оптики используются импортные приборы, дорогостоящие и сложные в обращении. Массовое производство лазерных зеркал требует разработки отечественных средств измерений, позволяющих в процессе их производства контролировать геометрические параметры с высокой точностью и минимальными затратами времени и средств.

Цель работы

Линейка оптических приборов включает следующие измерительные приборы:

- интерферометр для измерения радиуса кривизны и децентровки подложек;

- оптический микроскоп для контроля качества рабочей поверхности подложек.

Основные задачи исследования

Цель предопределила основные задачи, решаемые в диссертационной работе:

1. Анализ существующих оптических методов измерения шероховатости в нанометровом диапазоне.

4. Анализ существующих интерференционных методов измерения формы отражающих поверхностей.

8. Анализ существующих методов измерения оптической чистоты поверхности.

10. Модернизация темнопольного микроскопа для реализации многоракурсной системы освещения объекта.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. На основе численного моделирования метода фазовых шагов доказано, что при реконструкции изображений плоскости для уменьшения; среднеквадратического отклонения (СКО) от плоскости до 0.24 нм в диапазоне 100 градаций и до 0.11 нм в диапазоне 235 градаций яркости интерферограмм необходимо проводить совместное усреднение по 10-ти интерферограммам и 10-ти фазовым изображениям.

3. Создан отечественный автоматизированный интерференционный микроскоп МИА -1М, который позволяет измерять параметр 11а шероховатой поверхности с СКО не более 0.25 нм.

Практическая ценность и использование результатов работы

Разработанный в рамках выполненной работы метод измерения параметров нанометровой шероховатости и созданный на его основе программно-аппаратный комплекс реализованы в микроскопе интерференционном автоматизированном МИА - 1М. Впервые получена возможность исследования на отечественном приборе супергладкой поверхности с разрешением по глубине не хуже 0.25 нм. Данное средство измерения прошло государственные испытания и зарегистрировано под номером № 48171-11 в Государственном реестре средств измерений.

Разработанный метод измерения кривизны поверхности и ее децентровки и созданный на его основе программно - аппаратный комплекс реализованы в профилометре интерференционном компьютерном ПИК - 30. Данное средство измерения прошло государственные испытания и зарегистрировано под номером №30003-08 в Государственном реестре средств измерений.

Вклад автора

Апробация работы

Структура и объем работы

Основные положения, выносимые на защиту

плоскости до величины 0,1 нм достаточно проводить усреднение по 10-ти интерферограммам и 10-ти фазовым изображениям и учитывать вклад шероховатости опорного и эталонного зеркал.

ГЛАВА 1

ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

1.1. Оптические методы измерения параметров шероховатости

Измерение параметров шероховатости супергладких поверхностей, микрорельеф которых составляет единицы ангстрем, является одной из главных задач в области метрологии средств измерений длины. К таким поверхностям относят зеркала и подложки из ситалла, карбида кремния и др. материалов, используемых для многослойной рентгеновской оптики, лазерных гироскопов и пр.

Получение супергладких поверхностей необходимо, в первую очередь, в оптической промышленности, например, для изготовления оптической поверхности подложек зеркал лазерных гироскопов.

Шероховатость поверхности - один из главных параметров подложек лазерных зеркал. Величина шероховатости в значительной степени влияет на наиболее сложную проблему с «захватом» лучей - нечувствительность, распространяющихся в кольцевом лазере в противоположных направлениях, связанная с их обратным рассеянием. Уменьшение зоны «захвата» сводится к уменьшению их рассеяния, а так же к рассеянию на зеркалах, обеспечивающих распространение лучей по кольцу [1].

В настоящее время существуют контактные и бесконтактные приборы для измерения шероховатости [2-4]. Среди бесконтактных методов особенно выделяется оптическая интерференционная микроскопия, которая подразделяется на когерентную (лазерную) интерференционную микроскопию [5, 6], и сканирующую интерференционную микроскопию белого света (White-Light Interferometry) [7, 8], а также малоугловая рентгеновская рефлектометрия [9]. Среди контактных методов внимание заслуживает атомно-силовая микроскопия

[9].

Для измерения шероховатости в нанометровом диапазоне обычно используются атомно-силовые и интерференционные микроскопы. Основным

недостатком атомно-силовых микроскопов является наличие контакта при измерении, что влечет за собой повреждение полированной поверхности, они имеют малое поле зрения и требуют больших временных затрат, хотя и обладают высоким пространственным разрешением.

При относительно высокой точности измерения высоты профиля, недостатком лазерной интерференционной микроскопии является наличие когерентного шума (спекл и дифракционные шумы).

Сканирующая интерференционная микроскопия белого света лишена выше указанных недостатков, так как в ней используется источник с малой длиной когерентности - источник белого света. Однако наличие сканирующего устройства требует сложной и частой калибровки. Высокая стоимость этих приборов обусловлена большим диапазоном измерений по высоте от 1 А до нескольких миллиметров. Использование такого дорогостоящего прибора для наших задач нецелесообразно, т.к. измерение микрорельефа проводится в узком диапазоне высот от 1А до нескольких нанометров.

Следующим основным параметром, предъявляемым к подложкам лазерных зеркал, является радиус кривизны оптической поверхности и